اندازه بزرگ + هزینه کم: کاربید سیلیکون نبردی را برای پیشرفت باز می کند!

1. مقدمه ای بر سیلیکون کاربید

مواد نیمه هادی به نقطه کانونی رقابت جهانی-فناوری پیشرفته و رقابت بزرگ- قدرت تبدیل شده اند. در میان آنها، مواد نیمه هادی با فاصله وسیع-، که توسط کاربید سیلیکون (SiC) نشان داده می شود، در کاربردهای مقیاس بزرگ در زمینه های کلیدی مانند-نسل بعدی ارتباطات سیار، شبکه های هوشمند، حمل و نقل ریلی سریع-، وسایل نقلیه با انرژی جدید، و لوازم الکترونیکی مصرفی استفاده شده است. کاربید سیلیکون دارای شکاف باند گسترده، میدان الکتریکی شکست بالا، هدایت حرارتی بالا، سرعت اشباع الکترون بالا و مقاومت در برابر تشعشع قوی است. می‌تواند از محدودیت‌های عملکرد دستگاه‌های نیمه‌رسانای{9}} مبتنی بر سیلیکون عبور کند و به‌عنوان «CPU» الکترونیک قدرت و دستگاه‌های فرکانس رادیویی مایکروویو{10}و همچنین «تراشه اصلی» اقتصاد سبز [1] در نظر گرفته می‌شود.

ساختار کریستالی کاربید سیلیکون

کاربید سیلیکون یک ترکیب IV-IV با خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد است. اتم‌های سی و سی با به اشتراک گذاشتن جفت‌های الکترون در اوربیتال‌های هیبریدی sp3، پیوندهای کووالانسی تشکیل می‌دهند، که در نتیجه ساختار پیوند چهار وجهی برای تشکیل بلورهای SiC ایجاد می‌شود. کاربید سیلیکون بیش از 200 نوع پلی‌تیپ دارد که با انباشتن دولایه‌های Si{4}}C در توالی‌های مختلف ساخته می‌شوند. پلی تایپ های شناخته شده عبارتند از 2H-SiC، 3C-SiC، 4H-SiC، 6H{13}}SiC، 15R-SiC، و غیره. شش ضلعی، R برای رومبوهدرال). پلی‌تیپ‌های مختلف SiC دارای خواص الکترونیکی، نوری و مکانیکی متفاوتی هستند، بنابراین مزایای مشخصی را در کاربردهای مختلف ارائه می‌دهند [2-4].

3C-SiC: 3C-SiC ساده ترین چند نوع است، با ساختار بسته مکعبی-. اتم های Si و C در یک الگوی سه بعدی مشخص قرار گرفته اند و یک کریستال بسیار متقارن را تشکیل می دهند. به دلیل تقارن، 3C-SiC دارای خواص الکترونیکی و نوری نسبتاً ضعیفی است، بنابراین کاربرد عملی محدودی دارد.

4H-SiC و 6H-SiC: برخلاف 3C-SiC، 4H-SiC و 6H-SiC ساختارهای بسته-شش ضلعی دارند. هر دو پلی تایپ از 3C-SiC در تحرک الکترون، رسانایی حرارتی و شکاف باند برتری دارند{10}}H-SiC دارای تحرک الکترون بالاتری است، که آن را برای دستگاه‌های الکترونیکی با فرکانس بالا و قدرت بالا و به طور گسترده در وسایل نقلیه 5G با انرژی جدید، ایده‌آل‌تر می‌کند. و غیره. 6H-SiC دارای شکاف باند بزرگتری است، که باعث می‌شود در محیط‌های{17}}در دمای بالا و{18}}پرتوهای بالا [4] عملکرد بهتری داشته باشد.

مروری بر توسعه داخلی و بین المللی کاربید سیلیکون

در دهه 1990، شرکت‌های خارج از کشور مانند کری و وستینگهاوس در توسعه و تولید زیرلایه‌های SiC 2 تا 4 اینچی پیشرو بودند. با ورود به قرن بیست و یکم، با تکرار مداوم فناوری، ویفرهای SiC 6 اینچی به تدریج به جریان اصلی در بازار تبدیل شدند. با توجه به رشد انفجاری خودروهای الکتریکی و صنایع انرژی های جدید، تقاضای جهانی برای مواد SiC همچنان در حال افزایش است. شرکت‌ها و مؤسسات تحقیقاتی داخلی و خارجی سرمایه‌گذاری تحقیق و توسعه را در-ویفرهای SiC با اندازه بزرگ{11}}با کیفیت بالا افزایش داده‌اند. در حال حاضر، تولیدکنندگان بین المللی مانند Wolfspeed، II-VI، و Rohm به تولید انبوه بسترهای SiC 8 اینچی دست یافته اند. تحت انگیزه "برنامه پنج ساله چهاردهم" چین، تولید زیرلایه SiC 8 اینچی داخلی نیز وارد مرحله صنعتی شدن شده است و شرکت هایی مانند TankeBlue، SICC و Jingsheng Mechanical & Electrical متوالی عرضه دسته ای زیرلایه های SiC 8 اینچی را اعلام کردند [5].

در حال حاضر، SiC 6{4}}اینچی جریان اصلی تجاری جهانی باقی مانده است، در حالی که محصولات 8 اینچی به سمت صنعتی شدن شتاب می گیرند. پیشرفت های متمرکز در زمینه 12 اینچی SiC نقطه عطف مهمی برای صنعت نیمه هادی نسل سوم است. شرکت‌های داخلی از جمله SICC، Jingsheng Mechanical & Electrical، Jingyue Semiconductor، Tiancheng Semiconductor، Keyou Semiconductor، Hoshine Silicon، Nansha Jingyuan، GlobalWafers، Shuoke Crystal و همچنین Wolfspeed مستقر در ایالات متحده، همگی پیشرفت‌های عمده‌ای در توسعه سی‌استارهای Single داشته‌اند.

2. روشهای تهیه تک کریستالهای سیلیکون کاربید

در حال حاضر، سه روش اصلی که قادر به تولید تک بلورهای SiC با کیفیت بالا هستند، روش انتقال بخار فیزیکی (PVT)، روش رسوب بخار شیمیایی با دمای بالا (HTCVD) و روش رشد محلول بذری بالا (TSSG) هستند.

روش انتقال بخار فیزیکی (PVT).

در سال 1955، للی برای اولین بار از روش تصعید برای رشد تک بلورهای SiC استفاده کرد. با این حال، این روش دارای اشکالات ذاتی بسیاری بود: دمای رشد بسیار بالا، مشکل در کنترل دقیق هسته، راندمان رشد پایین، پراکندگی وسیع پارامترهای الکتریکی در کریستال‌های حاصل، و به طور کلی اندازه‌های کریستال کوچک. در نتیجه، کیفیت بلورهای SiC تولید شده با روش Lely ضعیف بود، در حالی که هزینه ها همچنان بالا بود. این چالش فنی تا سال 1978 برطرف نشد، زمانی که Tairov و همکارانش یک کریستال بذر را بر اساس روش سنتی لیلی وارد فرآیند رشد کردند که امکان کنترل موثر بر هسته‌زایی و کاهش دمای رشد را فراهم کرد. این روش به روش Lely تغییر یافته معروف شد، یعنی روش انتقال بخار فیزیکی [6-9].

روش PVT دارای فناوری بالغ و قابلیت کنترل قوی است و در حال حاضر روش اصلی برای تولید SiC با کیفیت بالا و اندازه بزرگ- است. در این روش، پودر SiC در پایین یک بوته گرافیتی و یک کریستال دانه SiC در قسمت بالایی قرار می‌گیرد. بوته گرافیتی تا دمای تصعید SiC گرم می شود و باعث می شود که پودر به گونه های گازی مانند بخار Si، Si2C و SiC2 تجزیه شود. این گونه‌ها که توسط یک گرادیان دما محوری هدایت می‌شوند، به بالای بوته تعالی می‌دهند و روی سطح دانه SiC متراکم می‌شوند و به تک بلورهای SiC متبلور می‌شوند [6]. این روش می‌تواند انبوه-SiC با اندازه بزرگ- با خلوص بالا- تولید کند و برای تولید صنعتی در مقیاس بزرگ مناسب است، اما معایب آن شامل نرخ رشد آهسته و نیاز به تجهیزات قابل توجه است که منجر به هزینه‌های تولید بالا می‌شود.

برای فرآیند رشد PVT، عوامل زیادی بر رشد کریستال SiC تأثیر می‌گذارند، از جمله دما، گرادیان دما، فشار بوته، فاصله بین دانه و پودر پلی کریستال و خلوص پودر.

1.1 سنتز پودر SiC

پودر SiC به عنوان ماده اولیه برای سنتز و رشد تک بلورها، به طور مستقیم بر کیفیت و خواص الکتروشیمیایی بلورهای رشد یافته تأثیر می گذارد. کاهش تفکیک ترکیبی در طول رشد، کاهش محتوای ناخالصی، و بهبود عملکرد حمل و نقل از اهداف مهم در تهیه پودر و پیش تیمار است [8].

پودر SiC مورد استفاده برای رشد تک بلورها باید شرایط خلوص بسیار بالا را برآورده کند، با محتوای ناخالصی ایده آل زیر 0.001٪. روش‌های زیادی برای تهیه پودر SiC وجود دارد که می‌توان آن‌ها را بر اساس حالت اولیه مواد خام به روش‌های فاز جامد، مایع-فاز و گاز- طبقه‌بندی کرد. روش‌های فاز جامد، عمدتاً شامل احیای کربوترمال، خرد کردن مکانیکی، و سنتز در دمای بالا-خود انتشار می‌شوند. روش‌های فاز مایع-شامل تجزیه سل-ژل و پلیمر است. روش‌های فاز گازی{11}}شامل رسوب شیمیایی بخار و روش‌های پلاسما هستند. در این میان، روش‌های فاز{13}گاز می‌توانند با کنترل سطوح ناخالصی در منابع گاز، پودر SiC با خلوص{{14} بالا به دست آورند. در بین روش‌های فاز مایع، فقط روش سل-ژل می‌تواند پودری تولید کند که نیازهای خلوص را برای رشد تک کریستالی دارد. در بین روش‌های فاز جامد، روش سنتز در دمای بالا{19}}خود انتشار{20} بهبود یافته در حال حاضر پرکاربردترین و بالغ‌ترین فرآیند برای تهیه پودر SiC است [2،8].

1.2 بوته

ساختار داخلی بوته به طور مستقیم بر اندازه و کیفیت تک بلورهای SiC رشد یافته تأثیر می گذارد. منطقه رشد محدود در داخل بوته یک عامل مهم محدود کننده بزرگ شدن قطر است [7]. علاوه بر این، بوته ها ممکن است ناخالصی های فلزی را به دلیل خلوص مواد و عوامل ماشین کاری وارد کنند. هنگامی که چنین ناخالصی هایی وجود داشته باشد، باعث گرم شدن ناهموار بوته می شود و بر توزیع میدان دما در داخل کوره و در نتیجه کیفیت کریستال تأثیر می گذارد. برای جلوگیری از این امر، بوته باید تحت عملیات تصفیه قرار گیرد [2].

1.3 کریستال بذر

برای کریستال های SiC، جهت های رشد مختلف نرخ رشد متفاوتی را نشان می دهند. انتخاب و چیدمان سطح رشد نه تنها بر کیفیت کریستال بلکه بر اندازه کریستال نیز تأثیر می گذارد. مورفولوژی و ساختار سطح بذر به طور مستقیم بر تعداد میکرولوله ها و عیوب در کریستال تأثیر می گذارد. برای به دست آوردن تک بلورهای بزرگ-، یک کریستال دانه بزرگ یک پیش نیاز است. چسباندن بذر به طور کلی با استفاده از چسب به دست می آید. به طور معمول، رزین فنلی اصلاح شده در اتیل استواستات حل می شود تا چسبی تشکیل شود که به طور یکنواخت روی پشت دانه SiC و سطح پایینی درب بوته اعمال می شود. برای بیرون راندن حباب ها و چسب اضافی روی سطح بذر فشار وارد می شود. سپس درب را برای گرم شدن در یک کوره قرار داده و به مدت 2 ساعت نگه می دارند و سپس چسب را در یک فضای آرگون کربنیزه می کنند. برای جلوگیری از ترک خوردن دانه در اثر تنش ناهموار، باید مراقب بود که فشار یکنواخت در حین باندینگ تضمین شود [2].

1.4 پارامترهای رشد

تنظیمات دما، فشار، گرادیان دما، منبع گاز و سایر پارامترها در طول رشد تک بلوری SiC به طور مستقیم بر یکنواختی، بلورینگی و ویژگی‌های نقص کریستال‌های رسوب‌شده تأثیر می‌گذارد. تحقیق و طراحی پارامترهای رشد کریستال همیشه یک تمرکز کلیدی بوده است. فرآیندهای رشد کریستال عمدتاً شامل کنترل دما و فشار است. رشد کریستال SiC شامل انتقال حرارت، انتقال جرم و واکنش های شیمیایی است. توزیع میدان دما در داخل کوره تا حد زیادی کیفیت و نرخ رشد تک بلورهای SiC را تعیین می کند. درک دقیق میدان دما و فرآیندهای انتقال بخار برای به دست آوردن بلورهای-با کیفیت بالا و اندازه بزرگ [7] ضروری است.

بالا-روش رشد محلول بذر (TSSG).

روش TSSG که به عنوان روش فاز مایع نیز شناخته می‌شود، تک بلورهای SiC را با سرعت کمتری رشد می‌دهد، اما بلورهای تولید شده دارای کمال ساختاری بالایی هستند. دستگاه TSSG از یک سیم پیچ القایی، عایق گرافیت، یک بوته گرافیتی، یک مذاب Si، یک کریستال دانه SiC و یک میله کشش تشکیل شده است. بوته گرافیتی به این دلیل استفاده می شود که در برابر گرما و خوردگی{4} مقاوم است، به عنوان ظرفی برای مذاب Si عمل می کند، و همچنین منبع کربن برای رشد کریستال را تامین می کند. مواد خام سیلیکونی و مواد ناخالص در بوته گرافیتی قرار می گیرند. از آنجایی که دما در دیواره بوته بالا است در حالی که در میله بذر پایین است، کربن از بوته گرافیتی حل می شود و با سیلیکون ذوب شده در دانه ترکیب می شود و کریستال های SiC را تشکیل می دهد. در مقایسه با روش PVT، روش فاز مایع مزایایی مانند چگالی نابجایی کمتر، انبساط قطری آسان‌تر، و توانایی به دست آوردن کریستال‌های نوع p را ارائه می‌دهد. با این حال، مسائل مربوط به کنترل محتوای ناخالصی و انتخاب عناصر انتقال باقی می‌ماند.

از آنجایی که ماهیت روش TSSG انحلال و تبلور مجدد کربن در مذاب سیلیکون است، افزایش حلالیت کربن در محلول Si کلید رشد موفقیت‌آمیز تک بلوری SiC- است. با این حال، حلالیت کربن در سیلیکون بسیار کم است، فقط حدود 13٪ حتی در دمای پریتکتتیک 3037 کلوین. علاوه بر این، سیلیکون مستقیماً بالای 2273 کلوین تبخیر می‌شود، بنابراین سایر عناصر انتقالی یا خاکی کمیاب باید به محلول Si اضافه شوند تا حلالیت کربن افزایش یابد. بنابراین، انتخاب یک حلال مناسب حیاتی ترین مرحله برای رشد موفق کریستال SiC با روش TSSG است. یکی دیگر از تحقیقات کلیدی، کنترل فرآیندهای جنبشی در طول رشد است. علاوه بر این، گنجاندن حلال و کنترل پلی تایپ مسائل مهمی در رشد محلول هستند [5،10].

روش رسوب بخار شیمیایی در دمای بالا (HTCVD).

راکتور HTCVD از یک بوته گرافیتی با کریستال دانه در بالا، عایق خارجی و گرمایش القایی تشکیل شده است. مواد اولیه سیلیکون گازی- و ترکیبات حاوی کربن- مانند SiH4، SiCl4، C3H8 و C2H2 هستند. با کنترل دما و فشار داخل راکتور، SiC در دماهای 2200-2500 درجه روی بذر رشد می کند. در مقایسه با روش PVT، روش HTCVD مزایایی مانند خلوص بالا، کنترل راحت نسبت C/Si و تامین مداوم مواد منبع را ارائه می‌دهد. معایب آن این است که هر دو منبع سیلیکون و کربن از گازها می آیند و دمای رشد بالا منجر به مصرف انرژی و هزینه های تولید بالا می شود [2-3].

3. روند توسعه تک کریستال های سیلیکون کاربید

با نگاهی به آینده، فناوری آماده سازی تک کریستال-SiC با کیفیت بالا در چهار جهت اصلی به ارتقاء خود ادامه خواهد داد: اندازه بزرگ،-کیفیت بالا، هزینه کم- و هوشمند [11]:

اندازه بزرگ-: قطر تک بلورهای SiC از مقیاس اولیه میلی متری-به 6-اینچ، 8-اینچ، و حتی 12 اینچ و بیشتر افزایش یافته است. آماده سازی کریستال با اندازه بزرگ می تواند راندمان تولید را به طور قابل توجهی بهبود بخشد، هزینه های تولید واحد را کاهش دهد و نیازهای دستگاه های الکترونیکی با قدرت بالا را بهتر برآورده کند.

کیفیت-بالا: بسترهای SiC با کیفیت بالا-پایه اصلی دستگاه‌های قابل اعتماد-با عملکرد بالا هستند. اگرچه کیفیت تک کریستال SiC بسیار بهبود یافته است، نقص‌های کریستالی مانند میکرولوله‌ها، جابجایی‌ها و ناخالصی‌ها همچنان گسترده هستند و مستقیماً بر عملکرد دستگاه و قابلیت اطمینان طولانی مدت تأثیر می‌گذارند. تلاش‌های آینده بر پیشرفت‌های مستمر در کنترل نقص متمرکز خواهد بود.

هزینه-کم: در حال حاضر، هزینه نسبتاً بالای آماده سازی تک کریستال SiC، کاربرد آن در مقیاس بزرگ- را در سناریوهای بیشتر محدود می کند. کاهش هزینه‌های آینده را می‌توان با بهینه‌سازی فرآیندهای رشد کریستال، بهبود بازده و راندمان تولید، و کاهش هزینه‌های مواد خام و مصرفی در سراسر زنجیره صنعت به دست آورد.

باهوش: با توانمندسازی هوش مصنوعی، داده های بزرگ و سایر فناوری ها، فرآیند رشد کریستال SiC به تدریج هوشمندتر می شود. از طریق استقرار سنسورهای درون خطی و سیستم‌های کنترل خودکار، نظارت بر زمان واقعی و تنظیم دقیق کل فرآیند رشد می‌تواند به دست آید که ثبات و ثبات فرآیند را بهبود می‌بخشد. همراه با تجزیه و تحلیل داده‌های بزرگ، پارامترهای رشد را می‌توان به طور مکرر بهینه کرد تا کیفیت کریستال و کارایی تولید را افزایش دهد.